CN113529641A - 河流交汇、分汊及弯曲微生物群落河工模型试验系统及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种河流交汇、分汊及弯曲微生物群落河工模型试验系统及试验方法，包括河道水箱，河道水箱底部铺有取自试验河道的河流底质，河道水箱包括干流河道和若干个支流河道，每个支流河道的上游端均设置有消能槽，干流河道出水口处设有三角堰，河流水经过消能槽均速从各个支流河道交汇于干流河道，再从干流河道出水口流出，给河流底质提供河道模拟环境。试验方法则是使用此系统来得到河流底质中河水中的微生物进行后续试验。将河工模拟试验方法和微生物降解污染物试验方法相结合，进出水口互换不仅对河流交汇区底质微生物群落进行试验，还对分汊河道和弯曲河道底质微生物进行试验，适应多种河道的微生物试验。

Description

河流交汇、分汊及弯曲微生物群落河工模型试验系统及试验 方法

技术领域

本发明涉及一种河流交汇、分汊及弯曲微生物群落河工模型试验系统及试验方法，属于河工模型技术领域。

背景技术

我国是一个水资源缺乏国家，大部分地方为水质性缺水，故水污染治理研究至关重要。水污染严重影响水体的自净能力与水生生物与物种的生存，导致物种灭绝,故治水势在必行。随着工业化的不展推进，水污染已成为捆忧着我们生存与经济发展的重要制约因素。治理水污染的方法有化学、物理及生物方法，河道污染化学和物理方法治理已经得到广泛实施，而河道微生物治污的方法由于物种限制导致实施能力有限，特别对于河流交汇、分汊及弯曲处的微生物群落，此处的微生物取样本身就有困难，再者对于取样的完整度也存在问题，现存的方案还没有能解决这一问题的装置，所以急需一种试验系统能用于河道微生物。

发明内容

发明目的：针对上述现有存在的问题和不足，本发明的目的是提供一种河流交汇、分汊及弯曲微生物群落河工模型试验系统及试验方法，将河工模拟试验方法和微生物降解污染物试验方法相结合，进出水口互换不仅对河流交汇区底质微生物群落进行试验，还对分汊河道和弯曲河道底质微生物进行试验，适应多种河道的微生物试验。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

一种河流交汇、分汊及弯曲微生物群落河工模型试验系统，包括河道水箱（1），所述河道水箱（1）底部铺有取自试验河道的河流底质（4），河道水箱（1）包括干流河道（2）和若干个支流河道（3），每个支流河道（3）的上游端均设置有消能槽，干流河道（2）出水口处设有三角堰（6），河流水经过消能槽均速从各个支流河道（3）交汇于干流河道（2），再从干流河道（2）出水口流出，给河流底质（4）提供河道模拟环境。

进一步的，所述消能槽由支流河道（3）内拦截水流设置的一道或多道多孔挡板（5）与支流河道（3）两侧侧壁形成。

进一步的，还包括进水箱（8）和进水管道（9），收集河流水并流入进水箱（8），通过分叉的进水管道（9）分别汇入各个支流河道（3）。

进一步的，各所述进水管道（9）上还设有流量控制阀（10）和流量计（11），控制水流流量为模拟河流后计算的水流流量。

进一步的，所述剩余水流出后流入系统设置的泄流水箱（13）。

进一步的，所述泄流水箱（13）与进水箱（8）之间连接有取水管道（15），所述取水管道（15）上设置有水泵（14）。

进一步的，进水箱（8）中设置有高度低于进水箱（8）边缘处的溢流挡板（16）在进水箱（8）中分隔出溢流区。

进一步的，所述泄流水箱（13）与进水箱（8）的溢流区之间设置有回流管道（12）。

进一步的，所述河流底质（4）厚度为5~15cm。

一种河流交汇、分汊及弯曲微生物群落河工模型试验方法，包括以下步骤：

步骤1：收集待试验的河道水源，并记录河道中干流以及各支流的河流水流量；

步骤2：将步骤1中收集到的河道水源加入权利要求1-9所述的河流交汇、分汊及弯曲微生物群落河工模型试验系统的泄流水箱（13）或进水箱（8）中；

步骤3：根据步骤1中记录的不同支流的不同流量通过流量计和流量控制阀将进水管道传送过来的水流控制成对应流量模拟不同支流水流，进入对应支流河道中，继而汇入干流河道，通过足够长的河道以及三角堰留下微生物在河流底质，河水则流入泄流水箱中；

步骤4：当河水快流入泄流水箱中时，调节取水管道上的水泵，使得河水又可以通过水泵重新回流至进水箱中，将河水循环在本系统中流动，将河水中的微生物尽可能多的留于系统的河流底质中；

步骤5：循环步骤4，在试验过程中，增添消耗掉的河道水源，使系统内水量保持不变，水流保持稳定；

步骤6：根据测试目的，周期取样河流底质（4），研究水中的微生物群落组成及其变成，绘制以时间或季节为横坐标，以微生物群落组成和各组成占比量为纵坐标的变化曲线；

步骤7：季节更替时，更换当季新鲜的河流底质（4），更换河流底质（4）时，减少河道水箱（1）水流速度和水位高度，保持干流河道（2）和支流河道（3）底面能够形成流动水流即可，将新鲜的河流底质（4）连通新鲜的河道水源一起铺于干流河道（2）和支流河道（3），更换泄流水箱（13）或进水箱（8）中的水为新鲜的河道水，待河流底质（4）沉淀稳定后，调节系统的水泵、流量控制阀（10）和流量计（11），将水流调至河道等比例流速，继续试验，试验过程中，周期取样河流底质（4），分析其中的微生物群落组成和各组成占比量。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：这是一种新式的微生物群落河工模型试验系统，本发明将河工模型试验方法和微生物降解污染物试验方法相结合，提出了河流交汇、分汊及弯曲微生物群落河工模型的试验系统，该试验方法不仅可以对河流交汇区底质微生物群落进行试验，还可针对分汊河道和弯曲河道底质微生物进行试验，将试验装置进出水口互换可用于分汊河道试验，取消一条支流河道即可用于弯曲河道底质微生物试验。

附图说明

图1是本发明的实施例外观示意图；

图中：1—河道水箱，2—干流河道，3—支流河道，4—河流底质，5—多孔挡板，6—三角堰，7—流量控制阀，8—进水箱，9—进水管道，10—流量控制阀，11—流量计，12—回流管道，13—泄流水箱，14—水泵，15—取水管道，16—溢流挡板。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

如图1所示，一种河流交汇、分汊及弯曲微生物群落河工模型试验系统，包括河道水箱1，河道水箱1底部铺有河流底质4，河流底质4主要为试验区域的底泥，厚度为10cm，其含有丰富的微生物，更具试验工况，在不同的工况下对其进行采样分析，以此研究微生物群落分布、微生物基因对污染物的转化速率等。河道水箱1包括干流河道2和若干个支流河道3，干流河道2和支流河道3均延伸至目标测量河道长度，所有支流河道3均汇于干流河道2，通过水箱模拟河道，主流河道在交汇河道底质微生物试验中作为下游汇流河道，在分汊河道试验中作为上游，在弯曲河道试验中可任作上下游，其材质为透明有机玻璃，在其底部及两侧由焊接槽钢结构支托，以使得其在试验过程中结构稳定。支流河道在交汇河道底质微生物试验中作为上游汇流河道，在分汊河道试验中作为下游，在弯曲河道试验中可任作上下游，其材质为透明有机玻璃，在其底部及两侧由焊接槽钢结构支托，以稳定其在试验过程中结构稳定。

干流河道2出水口处设有“V”形开口向上的三角堰6，水流通过河道长度的支流河道3和三角堰6，使得微生物留于河流底质4，剩余水流出干流河道2。每个支流河道3距离端部一段距离处对应设置有多孔挡板5，当水流经过多孔挡板5时，流速不变进入支流河道3。由于管道进水后流态杂乱，不能用于试验，多孔挡板5能使得水流流态达到稳定流，降低流速，再通过小孔稳定出流，使得在支流河道中流态稳定，在分汊河道试验中，该多孔挡板5设置在主流河道端部，在转弯河流中设置在进流口处。由于河道模拟的足够长，且最终设有三角堰6，所以河流底质4中可以比较全面的得到河道中的微生物附着，从而比较准确的得出河流中有的微生物群落，为发明研究提供参考。

还包括进水箱8和进水管道9，各进水管道9上还设有流量控制阀10和流量计11，控制水流流量为模拟河流后计算的水流流量。

模型根据河道及试验场地面积等，按照河道的河宽以及河深，采用的水平比尺

为1:150，垂直比尺

为1:5，其变态率

为30，流量比尺

为1677，流速比尺

为12，计算河道水箱的规格，比如干流河道宽度为100m，河深2m，相应模型试验系统的干流河道的河宽0.66m，模型河深0.4m，支流等比例换算。

变态率：

流量比尺：

速度比尺：

上述参数是实际河道在长度、宽度方面缩小的倍数，实际河道的流速和流量是模型试验监测数据的扩大倍数。

三角堰6作用为控制水位，也运用薄壁三角堰公式计算出流量，与流量计11互相验证。流量计11用于计量进入河道的流量，在不同工况试验中需要调节流量，以此确定不同工况。剩余水流出后流入系统设置的泄流水箱13。泄流水箱13与进水箱8之间连接有取水管道15，取水管道15上设置有水泵14。取水管道15用于水泵14在下游泄流水箱内取水，再通过管道重新回到进水箱8，其与进水箱8连接位置为接近于水面出，主要由于在水面以下位置会造成管道回流，造成水量过大从而引发事故，所以为避免事故发生而如此设置。水泵14通过电机带动进行运转从而使得水流在下泄后重新提升到进水箱8，从而形成重复循环利用，节约试验用水资源。进水箱8主要用于受纳水泵14取水水流，也是作为供应试验的水库，持续不断稳定供水。收集河流水并流入进水箱8，通过分叉的进水管道9分别汇入各个支流河道3。进水管道9使得进水箱8收集的水流自流下泄，用于试验供水，其连接部位为进水箱8的底部，在水压作用下与流量控制阀10共同控制流量的大小。

进水箱8中设置有高度低于进水箱8边缘处的溢流挡板16在进水箱8中分隔出防溢流区。分隔出防溢流区主要是为了让水流在固定高度溢出，使得进水箱8持续不断的溢流，也使得进水箱8内水位持续处于同样高度，使得管道进流形态相同，从而不对试验造成工况差异。

泄流水箱13与进水箱8的防溢流区之间设置有回流管道12。为保持进水箱水位和流量稳定，通过水泵14提取过量的水持续不断溢出，使得供水系统持续稳定，而溢出的水在溢流槽内通过回流管道12重新回到下游泄流水箱13。泄流水箱13一方面受纳试验下游的外排水体，另一方面作为进水箱8溢流受纳体，也作为试验的供水源头，供应进水箱8用于试验的水量。

本发明的使用方法为：根据待试验的河流河道的长宽高比例设计出本发明的试验系统中的河流河道的干流河道2和支流河道3。收集待试验的河流中水，并记录河流中主流以及各支流的河流水流量。将收集到的河流水倒入本发明的试验系统的进水箱8中，至一定水量后通过进水管道9。根据记录的不同支流的不同流量通过流量计11和流量控制阀10将进水管道9传送过来的水流控制成对应流量模拟不同支流水流，进入对应支流河道3中，继而汇入干流河道2，通过足够长的河道以及三角堰6留下微生物在河流底质4，河水则流入泄流水箱13中。当河水快流入泄流水箱13中时，调节取水管道上的水泵14，使得河水又可以通过水泵14重新回流至进水箱8中，将河水循环在本系统中流动，将河水中的微生物尽可能多的留于系统的河流底质4中。将河水经过数次本系统的循环后，取出河流底质4，用于后续试验检测试验的河水中的微生物研究。通过模拟河道的情况，还原河道来进行试验，并且通过水泵14等装置循环往复将微生物几乎全部留于本系统中，使得后续对于待试验河流的内部微生物情况会更准确，得出的试验效果更有说服力。对于后续提出河流的具体治理方案以及对于河流的情况掌握更正确。

本发明将河工模型试验方法和微生物降解污染物试验方法相结合，提出了河流交汇、分汊及弯曲微生物群落河工模型试验系统，该试验方法不仅对河流交汇区底质微生物群落进行试验，还可针对分汊河道和弯曲河道底质微生物进行试验，将试验装置进出水口互换可用于分汊河道试验，一条主流河道即可用于弯曲河道底质微生物试验。

Claims (10)

1.一种河流交汇、分汊及弯曲微生物群落河工模型试验系统，其特征在于：包括河道水箱（1），所述河道水箱（1）底部铺有取自试验河道的河流底质（4），河道水箱（1）包括干流河道（2）和若干个支流河道（3），每个支流河道（3）的上游端均设置有消能槽，干流河道（2）出水口处设有三角堰（6），河流水经过消能槽均速从各个支流河道（3）交汇于干流河道（2），再从干流河道（2）出水口流出，给河流底质（4）提供河道模拟环境。

2.根据权利要求1所述的河流交汇、分汊及弯曲微生物群落河工模型试验系统，其特征在于：所述消能槽由支流河道（3）内拦截水流设置的一道或多道多孔挡板（5）与支流河道（3）两侧侧壁形成。

3.根据权利要求2所述的河流交汇、分汊及弯曲微生物群落河工模型试验系统，其特征在于：还包括进水箱（8）和进水管道（9），收集河流水并流入进水箱（8），通过分叉的进水管道（9）分别汇入各个支流河道（3）。

4.根据权利要求3所述的河流交汇、分汊及弯曲微生物群落河工模型试验系统，其特征在于：各所述进水管道（9）上还设有流量控制阀（10）和流量计（11），控制水流流量为模拟河流后计算的水流流量。

5.根据权利要求1所述的河流交汇、分汊及弯曲微生物群落河工模型试验系统，其特征在于：所述剩余水流出后流入系统设置的泄流水箱（13）。

6.根据权利要求5所述的河流交汇、分汊及弯曲微生物群落河工模型试验系统，其特征在于：所述泄流水箱（13）与进水箱（8）之间连接有取水管道（15），所述取水管道（15）上设置有水泵（14）。

7.根据权利要求1所述的河流交汇、分汊及弯曲微生物群落河工模型试验系统，其特征在于：进水箱（8）中设置有高度低于进水箱（8）边缘处的溢流挡板（16）在进水箱（8）中分隔出溢流区。

8.根据权利要求7所述的河流交汇、分汊及弯曲微生物群落河工模型试验系统，其特征在于：所述泄流水箱（13）与进水箱（8）的溢流区之间设置有回流管道（12）。

9.根据权利要求1所述的河流交汇、分汊及弯曲微生物群落河工模型试验系统，其特征在于：所述河流底质（4）厚度为5~15cm。

10.一种河流交汇、分汊及弯曲微生物群落河工模型试验方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：收集待试验的河道水源，并记录河道中干流以及各支流的河流水流量；

步骤2：将步骤1中收集到的河道水源加入权利要求1-9所述的河流交汇、分汊及弯曲微生物群落河工模型试验系统的泄流水箱（13）或进水箱（8）中；

步骤3：根据步骤1中记录的不同支流的不同流量通过流量计和流量控制阀将进水管道传送过来的水流控制成对应流量模拟不同支流水流，进入对应支流河道中，继而汇入干流河道，通过足够长的河道以及三角堰留下微生物在河流底质，河水则流入泄流水箱中；

步骤4：当河水快流入泄流水箱中时，调节取水管道上的水泵，使得河水又可以通过水泵重新回流至进水箱中，将河水循环在本系统中流动，将河水中的微生物尽可能多的留于系统的河流底质中；

步骤5：循环步骤4，在试验过程中，增添消耗掉的河道水源，使系统内水量保持不变，水流保持稳定；

步骤6：根据测试目的，周期取样河流底质（4），研究水中的微生物群落组成及其变成，绘制以时间或季节为横坐标，以微生物群落组成和各组成占比量为纵坐标的变化曲线；

步骤7：季节更替时，更换当季新鲜的河流底质（4），更换河流底质（4）时，减少河道水箱（1）水流速度和水位高度，保持干流河道（2）和支流河道（3）底面能够形成流动水流即可，将新鲜的河流底质（4）连通新鲜的河道水源一起铺于干流河道（2）和支流河道（3），更换泄流水箱（13）或进水箱（8）中的水为新鲜的河道水，待河流底质（4）沉淀稳定后，调节系统的水泵、流量控制阀（10）和流量计（11），将水流调至河道等比例流速，继续试验，试验过程中，周期取样河流底质（4），分析其中的微生物群落组成和各组成占比量。

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